直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)

PAGEPAGE15課程設(shè)計(jì)任務(wù)書目錄TOC\o"1-2"\h\u24406摘要262671直流電機(jī)339681.1直流電機(jī)特性3142721.2直流電機(jī)的原理3309771.3直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)385571.4直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)指標(biāo)379682單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)438262.1單片機(jī)簡(jiǎn)介4139252.2單片機(jī)的特點(diǎn)4115752.3AT89C51單片機(jī)介紹558083硬件電路設(shè)計(jì)663203.1PWM波形的程序?qū)崿F(xiàn)679023.2直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)7279543.3續(xù)流電路設(shè)計(jì)878934軟件設(shè)計(jì)924004.1主程序設(shè)計(jì)9200394.2數(shù)碼顯數(shù)設(shè)計(jì)10266674.3功能程序設(shè)計(jì)10159084.4仿真圖13309674.5仿真結(jié)果分析15233495學(xué)習(xí)心得體會(huì)1524966參考文獻(xiàn)16摘要本文是對(duì)直流電機(jī)PWM調(diào)速器設(shè)計(jì)的研究，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制 。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微機(jī)控制，在設(shè)計(jì)中，采用了AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制電路的核心部分，配以各種顯示、驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的顯示和測(cè)量；由命令輸入模塊、光電隔離模塊及H型驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在過程控制下，不斷給光電隔離電路發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制.在設(shè)計(jì)中，采用PWM調(diào)速方式，通過改變PWM的占空比從而改變電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了大量的集成電路模塊，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到提高。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；PWM調(diào)速；正反轉(zhuǎn)控制1直流電機(jī)1.1直流電動(dòng)機(jī)特性直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。目前仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。近年來隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及PWM控制方式成為主流。應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，是各種智能化產(chǎn)品的首選方案。如今，計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，在許多領(lǐng)域都有成熟的仿真軟件在應(yīng)用。Inter公司推出的Proteus是一套基于標(biāo)準(zhǔn)仿真引擎的電路分析、實(shí)物仿真系統(tǒng)。該軟件具有交互式動(dòng)畫仿真，基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真三種模式。其最大的特點(diǎn)就在于它能夠仿真單片機(jī)及其外圍芯片。通過Proteus軟件仿真可以更好地幫助學(xué)生及工程師運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.2直流電機(jī)工作原理直流電機(jī)模型如圖1.2所示，磁極N、S間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵磁圓柱體，圓柱體表面固定線圈abcd。當(dāng)線圈流過電流時(shí)，線圈受到電磁力作用，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可知，當(dāng)流過線圈中電流改變方向時(shí)，線圈的受力方向也將改變，因此通過改變線圈電流的方向?qū)崿F(xiàn)改變電機(jī)的方向。圖1.2直流電動(dòng)機(jī)電路模型1.3直流電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)額定功率Pn：在額定電流和電壓下，電機(jī)負(fù)載能力。額定電壓Ue：長(zhǎng)期運(yùn)行的最高電壓。額定電流Ie：長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。額定轉(zhuǎn)速n：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)快慢。勵(lì)磁電流If：施加到電極線圈上的電流。1.4直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)指標(biāo)1.4.1調(diào)速范圍 調(diào)速范圍是指在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)可能運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速之比，即 1.4.2調(diào)速的相對(duì)穩(wěn)定性和靜差度 所謂相對(duì)穩(wěn)定性，是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩在給定的范圍內(nèi)變化時(shí)所引起的速度的變化，它決定于機(jī)械特性的斜率。 靜差度(又稱靜差率)是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)在一條機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí)，由理想空載到滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速n0的比值，用百分?jǐn)?shù)表示，即，在一般情況下，取額定轉(zhuǎn)矩下的速度落差，有 1.4.3調(diào)速的平滑性 調(diào)速的平滑性是指在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，相鄰兩級(jí)速度變化的程度，用平滑系數(shù)表示，即 式中和——相鄰兩級(jí)，即i級(jí)與i－1級(jí)的速度。1.4.4調(diào)速時(shí)的容許輸出 調(diào)速時(shí)的容許輸出是指電動(dòng)機(jī)在得到充分利用的情況下，在調(diào)速過程中軸能夠輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。2單片機(jī)識(shí)的相關(guān)知識(shí)2.1單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)全稱為單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrosoftcomputer)。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，單片機(jī)主要用來控制，所以又稱為微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌入式控制器。單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。2.2單片機(jī)的特點(diǎn)1.單片機(jī)的存儲(chǔ)器ROM和RAM時(shí)嚴(yán)格區(qū)分的。ROM稱為程序存儲(chǔ)器，只存放程序，固定常數(shù)，及數(shù)據(jù)表格。RAM則為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。2.采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制需要，單片機(jī)有更強(qiáng)的邏輯控制能力，特別是單片機(jī)具有很強(qiáng)的位處理能力。3.單片機(jī)的I/O口通常時(shí)多功能的。由于單片機(jī)芯片上引腳數(shù)目有限，為了解決實(shí)際引腳數(shù)和需要的信號(hào)線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機(jī)器狀態(tài)來區(qū)分。4.單片機(jī)的外部擴(kuò)展能力很強(qiáng)。在內(nèi)部的各種功能部件不能滿足應(yīng)用的需求時(shí)，均可在外部進(jìn)行擴(kuò)展，與許多通用的微機(jī)接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。2.3AT89C51單片機(jī)介紹VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能圖2.189C51單片機(jī)寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1PWM波形的程序?qū)崿F(xiàn)改變占空比可以改變電樞端電壓，改變占空比的方法有3種，即定寬調(diào)頻法，調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法，前兩種方法均改變了信號(hào)的頻率，當(dāng)頻率與系統(tǒng)固有頻率接近時(shí)，將引起振蕩，故應(yīng)用較少。目前在直流電動(dòng)機(jī)的控制中以PWM控制方式為主PWM信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種途徑。傳統(tǒng)的方法是利用硬件電路實(shí)現(xiàn)。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，PWM波形采用軟件方法實(shí)現(xiàn)顯得非常靈活和實(shí)用以89C51單片機(jī)為控制核心,晶振頻率為12MHz定時(shí)計(jì)數(shù)器TO,T1作定時(shí)器使用，工作在方式1，定時(shí)時(shí)間為0.1ms，若PWM波形的頻率為50Hz，占空比為1：1，則和R0載人30H和31H單元的值初始100,若在程序中利用按鍵產(chǎn)生中斷調(diào)用來改變30H和31H單元的值就可以改變占空比.系統(tǒng)流程圖如圖2所示：圖2、程序流程圖3.2直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)中對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)常采用IGBT作為主開關(guān)組件,對(duì)中小功率的電機(jī)常采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為主開關(guān)組件.另外還可以采用集成電路來完成對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用集成電路L298來驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖3、L298內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能引腳圖L298是雙H高電壓大電流功率集成電路.直接采用L邏輯電平控制,可以驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。其內(nèi)部有兩個(gè)完全相同的功率放大回路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖3所示。表3.1L298引腳符號(hào)及功能引腳功能SENSA、SENSB分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地ENA、ENB使能端，輸入PWM信號(hào)IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號(hào)OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.5~7VVSS電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最小值需比輸入的低電平電壓高GND地當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);;IN1與IN2相同時(shí),電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。3.3續(xù)流電路設(shè)計(jì)由于電機(jī)具有較大的感性，電流不能突變，若突然將電流切斷，將在功率管兩端產(chǎn)生很高的電壓，損壞器件。我們?cè)诖穗娐分袘?yīng)用的是二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)ㄐ?。二極管的選用要根據(jù)PWM的頻率和電機(jī)的電流來決定，二極管要有足夠迅速的恢復(fù)時(shí)間和足夠的電流承受能力。由于電機(jī)具有較大的感性，電流如果突變易損壞功率胳即L298芯片。為保護(hù)芯片加上洗續(xù)流電路。電路的工作原理替如圖3.7所示。電路的工作原理：當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，若突然掉電，D1、D4導(dǎo)通，D2、D3截止；當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，突然掉電D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。圖3.7續(xù)流電路工作原理圖78934軟件設(shè)計(jì)24004.1主程序設(shè)計(jì)該主程序主要完成初始化，設(shè)置定時(shí)常數(shù)和中斷入口程序，主程序不斷的循環(huán)處于等待中斷狀態(tài)。ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT0ORG000BHLJMPITT0ORG0030H；系統(tǒng)初始化START:MOVSP,#60H；賦初值MOVR0,#00H；給R0送值0MOVR1,#00H；給R1送值0CLRP1.5；置0CLRP1.6；置0CLRP1.7；置0MOVTMOD,#01H；寫控制字MOVTL0,#0FFH；置定時(shí)常數(shù)MOVTH0,#0FFHSETBEA；允許中斷SETBEX0；允許外部中斷0SETBET0；允許TL0中斷CLRIT0SETBTR0；啟動(dòng)TL0圖4.1主流程圖4.2數(shù)碼顯數(shù)設(shè)計(jì)通過P1.1，P1.2口來控制數(shù)碼，顯示通過查表和調(diào)用延時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)的顯示程序代碼：MOVDPTR,#TABMOV40H,#0；置0MOV41H,#0；置0LED:SETBP1.1；P1.1置1CLRP1.2；P1.2清0MOVA,40H；將40H的內(nèi)容送往AMOVCA,@A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)CLRP1.1；P1.1清0SETBP1.2;P1.2置1MOVA,41H；將41H的內(nèi)容送往AMOVCA,@A+DPTR；查表MOVP0,A；查表所得A值送往P0口LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)CLRP1.2；P1.2口清0LJMPLED；跳轉(zhuǎn)到LEDORG2000HTAB:DB40H,79H,24H,30H,19HDB12H,02H,78H,00H,10H4.3功能程序設(shè)計(jì)結(jié)束中斷后轉(zhuǎn)入相應(yīng)的功能鍵程序，為加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、暫停程序代碼：ITT0:CPLP1.5；P1.5口取反JNBP1.5,Z1MOVA,#0FFH；低電平定時(shí)SUBBA,R0MOVTH0,ASETBTR0；啟動(dòng)TL0RETIZ1:MOVTH0,R0；高電平定時(shí)SETBTR0RETIINT0:CLREX0；實(shí)現(xiàn)鍵盤控制MOVA,#0FFHMOVP2,AMOVA,P2JNBACC.0,JIAJNBACC.1,JIANJNBACC.2,FF圖4.2數(shù)碼顯示流程圖圖4.3中斷子程序流程圖JNBACC.3,ZZJNBACC.4,TZAJMPCCJIA:CJNER0,#0FFH,AA；實(shí)現(xiàn)電機(jī)加速AJMPCCAA:MOVA,R0ADDA,#25MOVR0,AAJMPCCJIAN:CJNER0,#00,BB；實(shí)現(xiàn)電機(jī)減速AJMPCCBB:MOVA,R0SUBBA,#25MOVR0,AAJMPCCCC:MOVA,R0；數(shù)碼顯數(shù)MOVB,#25DIVABMOVB,#10DIVABMOV40H,AMOV41H,BSETBEX0LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)LCALLTTS；調(diào)用延時(shí)RETIFF:SETBP1.6；電機(jī)反傳CLRP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETIZZ:CLRP1.6；電機(jī)正轉(zhuǎn)SETBP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITZ:CLRP1.6；實(shí)現(xiàn)電機(jī)停止CLRP1.7LCALLTTSLCALLTTSLCALLTTSSETBEX0RETITTS:MOVR3,#0E0H；延時(shí)子程序TT1S:MOVR4,#40HTT0S:DJNZR4,TT0SDJNZR3,TT1SRETEND4.4仿真圖在該設(shè)計(jì)中，利用Proteus軟件進(jìn)行仿真。Proteus是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的電路分析與仿真軟件。運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)模混合電路，是目前唯一能實(shí)現(xiàn)對(duì)51、PIC、AVR、HC11、ARM等處理器的仿真軟件。最后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，啟動(dòng)系統(tǒng)仿真，圖中電機(jī)處于初始化狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖4.4所示。相應(yīng)電機(jī)的顯示如圖4.5所示